大跨度隧道平行下穿既有車站旅客通道的施工風(fēng)險分析*

趙秀紹 莊錦彬,2 方 燾 石鈺鋒

(1. 華東交通大學(xué)江西省巖土工程基礎(chǔ)設(shè)施安全與控制重點實驗室， 330013 南昌；2. 廈門軌道交通集團(tuán)有限公司， 361010, 廈門//第一作者，副教授)

隨著城市地鐵規(guī)模不斷擴大，相繼出現(xiàn)新建地鐵隧道近距下穿既有車站的情況。然而，隧道近接施工是一個非常復(fù)雜的力學(xué)過程，再加上地下工程本身的復(fù)雜性，這就給隧道穿越工程的安全控制帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

針對隧道下穿車站施工的問題，國內(nèi)外學(xué)者已做了一些相關(guān)研究。文獻(xiàn)[1]采用三維有限元模型研究某地鐵隧道盾構(gòu)掘進(jìn)過程中既有通道力學(xué)行為，得出了既有通道沉降和附加的應(yīng)力變化規(guī)律；文獻(xiàn)[2]結(jié)合數(shù)值模擬及現(xiàn)場監(jiān)測對小間距雙線隧道近距下穿車站時，工作面錯距、注漿橫通道與車站結(jié)構(gòu)間距對車站及地表沉降的影響進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[3]采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測相結(jié)合的方法，分析了新建雙線盾構(gòu)隧道近距離下穿施工過程中誘發(fā)車站結(jié)構(gòu)變形的特征；文獻(xiàn)[4]對某隧道盾構(gòu)施工近距離下穿既有地鐵出入口人行通道的施工過程進(jìn)行分析，得出了其地層變位規(guī)律及對結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形產(chǎn)生的影響規(guī)律；文獻(xiàn)[5] 運用FLAC3D軟件建模，分析了某一隧道下穿既有車站出入口時，引起上部車站出入口結(jié)構(gòu)產(chǎn)生沉降變形的情況；文獻(xiàn)[6] 分析對比了既有車站不同沉降控制措施的有效性；文獻(xiàn)[7] 對某隧道下穿既有運營隧道的最小理論凈距進(jìn)行了探析。

通過文獻(xiàn)調(diào)研不難看出，下穿隧道開挖對既有車站旅客通道的影響研究較少，且以往研究多是基于下穿隧道正交或斜交于車站旅客通道的情況。本文基于某既有車站軌道交通土建預(yù)留工程折返線隧道穿越其旅客通道工程，針對其從旅客通道正下方長距離平行下穿狀況及開挖跨度大的特點，通過定量與定性分析對該工程的安全風(fēng)險進(jìn)行前期探析，并提出安全風(fēng)險控制建議。研究成果可為類似工程提供參考。

1 工程概況

該既有車站軌道交通土建預(yù)留工程折返線隧道起終點為DK0+193.273—DK0+549.001，全長355.73 m。區(qū)間隧道正穿車站南站房、進(jìn)出站旅客通道及北站房，最大埋深為30.8 m，最小埋深為16.0 m。折返線隧道在區(qū)間DK0+380—DK0+480段下穿鐵路股道的同時軸線基本與進(jìn)出站旅客通道平行，隧道拱頂與通道底板距離為9.0～10.0 m，折返線隧道與車站旅客通道空間位置關(guān)系見圖1及圖2。

圖1 隧道與通道位置關(guān)系橫剖面圖

單位:cm

圖2 隧道與通道位置關(guān)系縱剖面圖

2 風(fēng)險定性分析

2.1 隧道特征

隧道為單洞雙線隧道，斷面開挖寬度為14.1 m，開挖高度近10.0 m，屬大斷面大跨度隧道。隧道的形狀和尺寸是其開挖擾動范圍的重要因素。隧道跨度越大，自然成拱越高，松動區(qū)就越大，易產(chǎn)生塌方冒頂。

2.2 地層條件

隧道洞身穿越地層主要為全風(fēng)化、散體狀及碎裂狀的強、中風(fēng)化花崗巖，屬于軟弱圍巖,強度低，壓縮性高、自穩(wěn)及自承能力差。該地層條件會加大隧道塌方及旅客通道變形過大的風(fēng)險。

2.3 周邊環(huán)境

折返線隧道在區(qū)間DK0+380—DK0+480段長距離平行下穿旅客通道，隧道開挖對旅客通道下部巖體擾動極大，施工風(fēng)險極高。此外隧道周邊布有車站樁基，最小凈距僅為2.6 m ，且區(qū)間隧道施工至火車站站線范圍時，鐵路線路為運營狀態(tài)，列車動荷載及隧道開挖擾動相互影響。

3 施工風(fēng)險分析

該工程為在軟弱圍巖中進(jìn)行大跨度隧道開挖。隧道下穿股道段風(fēng)險源眾多，一旦發(fā)生塌方或者大變形，將嚴(yán)重威脅工作人員生命安全。此外，鑒于該車站旅客通道為變形敏感的重要構(gòu)筑物，與隧道位置臨近，如果隧道施工引發(fā)地下通道開裂滲水等問題，可能會引起旅客恐慌，并對鐵路運營安全造成極大隱患。因此，在對以上風(fēng)險源進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，有必要結(jié)合定量分析對隧道近接施工可能產(chǎn)生旅客通道的安全隱患進(jìn)行風(fēng)險分析，并采取相應(yīng)的風(fēng)險控制措施。

由于本文限于依托工程的初期風(fēng)險評估，考慮到數(shù)值模擬中較難精細(xì)化到旅客通道變形縫，且現(xiàn)實中變形縫的存在將使得通道相對柔性，減小結(jié)構(gòu)受力，加上該工程變形控制標(biāo)準(zhǔn)較高，會嚴(yán)格控制隧道施工對通道的影響，故對旅客通道變形縫暫不進(jìn)行深入討論(后續(xù)研究中開展)。

3.1 模型建立

采用FLAC3D軟件進(jìn)行模擬。該模型地表面為實際環(huán)境條件，模型中左、右側(cè)(X方向)邊界距離洞邊的距離約為洞跨的5倍，即左右各取70 m，下邊界(Z方向)取3倍隧道開挖高度，上邊界取至地表面車站結(jié)構(gòu)底面，縱向?qū)挾热?20 m。以上取值可滿足消除邊界效應(yīng)的要求。模型邊界條件：頂面為自由邊界，底面為固定邊界，4個側(cè)面約束法向位移，模型細(xì)部情況見圖3。

圖3 隧道工程數(shù)值模型細(xì)部圖

基于地勘資料及文獻(xiàn)調(diào)研，相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)取值見表1。隧道圍巖材料特性按均質(zhì)彈塑性考慮:采用 Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，圍巖及地下通道、車站、樁采用三維實體單元，襯砌采用殼單元;鋼拱架的作用采用等效方法予以考慮，即將鋼拱架彈性模量折算給噴射混凝土;管棚加固區(qū)以及超前小導(dǎo)管注漿，參考工程經(jīng)驗及前人相關(guān)研究結(jié)論[14]，采用提高彈性模量、黏聚力量值加以模擬;隧道結(jié)構(gòu)的附近采用細(xì)密單元。

表1 隧道工程數(shù)值物理力學(xué)參數(shù)

按TB10001—2005《鐵路路基設(shè)計規(guī)范》[8]中的換算土柱法，得列車及軌道等效荷載為60 kN/m。數(shù)值模擬基于安全考慮，隧道按全斷面循環(huán)開挖考慮。

3.2 結(jié)果分析

下穿隧道開挖結(jié)束后，調(diào)取旅客通道關(guān)鍵節(jié)點相應(yīng)指標(biāo)的數(shù)值進(jìn)行變形及應(yīng)力變化分析。

以圖2中DK0+380為起點，DK0+480為終點(隧道開挖方向)，選取隧道開挖結(jié)束后通道頂、底板中線節(jié)點豎向位移進(jìn)行分析(見圖4)。

圖4 車站旅客通道豎向位移

圖4表明： ① 隧道開挖結(jié)束后，該區(qū)段通道頂、底板豎向位移變化走勢基本一致，且沿隧道開挖方向有減小趨勢，但后期趨勢趨于平緩； ② 因隧道先后開挖順序原因，引起位移累積效應(yīng)，導(dǎo)致頂、底板最大位移均位于旅客通道起點處，頂板最大位移為7.84 mm，底板最大位移為7.76 mm。

基于圣維南原理,選取旅客通道中間橫截斷面的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析，即可反映隧道下穿隧道開挖結(jié)束后對通道產(chǎn)生的附加應(yīng)力效應(yīng)。選取DK0+430處通道橫截斷面進(jìn)行分析，以通道左端為起點、右端為終點(以X軸正方向為基準(zhǔn))，對隧道開挖前后通道頂、底板豎向應(yīng)力變化進(jìn)行分析(見圖5、6)。

圖5 車站旅客通道頂板豎向應(yīng)力

圖5、圖6表明： ① 車站旅客通道頂板中間部位的豎向應(yīng)力受隧道開挖影響不明顯，但其它部位豎向應(yīng)力較隧道開挖前有顯著增大，最大增幅達(dá)76.8%; ② 隧道開挖后，在隧道上部區(qū)間形成的應(yīng)力松弛區(qū)向上擴散,使旅客通道底板除中間部位豎向應(yīng)力受隧道開挖影響較小外，其他部位均呈現(xiàn)明顯的應(yīng)力松弛。

圖6 車站旅客通道底板豎向應(yīng)力

4 風(fēng)險控制措施

鑒于該工程風(fēng)險大，故結(jié)合既有工程經(jīng)驗，在嚴(yán)格遵循相關(guān)規(guī)范的基礎(chǔ)上[9-13]，制定了詳細(xì)監(jiān)測方案(見表2)。因車站處于運營狀態(tài)，為使工程風(fēng)險處于可控范圍，具體措施多為隧道內(nèi)施工控制措施，因此，必須加強車站及其相關(guān)附屬設(shè)施的監(jiān)測，以進(jìn)一步確保工程安全(監(jiān)測是風(fēng)險控制重要手段之一)。此外，在類似建(構(gòu))筑物沉降控制值的文獻(xiàn)[15-17]，考慮到風(fēng)險源眾多，結(jié)合相關(guān)經(jīng)驗及專家意見，適當(dāng)提高了控制標(biāo)準(zhǔn)，所制定的控制標(biāo)準(zhǔn)詳見表3。

表2 隧道工程監(jiān)測方案

數(shù)值分析表明，車站旅客通道變形在允許范圍之內(nèi)，滿足設(shè)計和施工要求，但變形情況較接近預(yù)警容許值(見表3)，且實際施工時存在眾多不可控因素。為確保隧道本身及周邊建構(gòu)筑物的安全，施工時仍應(yīng)盡量減小對地層的擾動，同時應(yīng)用監(jiān)測網(wǎng)對既有建(構(gòu))筑物進(jìn)行實測反饋，及時調(diào)整和優(yōu)化施工參數(shù)，并視情況決定是否采取相應(yīng)加固措施。

表3 隧道工程監(jiān)測控制標(biāo)準(zhǔn)

在對重要監(jiān)測點進(jìn)行24 h不間斷監(jiān)測的同時，為確保隧道本身安全及既有車站正常運營，應(yīng)結(jié)合施工過程得到的監(jiān)測數(shù)據(jù)，從多方面采取細(xì)化控制措施。在條件許可的情況下，可考慮對路基、進(jìn)出站旅客通道、隧道周邊圍巖等采取進(jìn)一步的加固措施，如長管棚超前預(yù)支護(hù)+注漿小導(dǎo)管徑向注漿等，并建立預(yù)警機制及制定相應(yīng)的應(yīng)急方案。

5 結(jié)論

(1) 隧道DK0+380—DK0+480區(qū)段從既有車站旅客通道正下方長距離平行下穿，其工程特點導(dǎo)致施工風(fēng)險加大。因此，必須采取合理有效加固、支護(hù)措施(相比非下穿段，采取管徑更大的預(yù)支護(hù)管棚、加密鋼拱架布置等措施)，并加強監(jiān)控，保證隧道施工與旅客通道的安全。

(2) 旅客通道頂部最大變形量為7.84 mm，底部最大變形量為7.76 mm，最大變形位于通道起點頂、底板中間位置，變形量保持在監(jiān)測控制標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，但最大值已接近容許預(yù)警值。因此，應(yīng)對地下通道四周土體采取進(jìn)一步加固措施，減小圍巖擾動效應(yīng)。

(3) 鑒于車站結(jié)構(gòu)及旅客通道均為重要構(gòu)筑物，且施工過程仍存在不可預(yù)知因素，工程施工仍面臨潛在風(fēng)險，因此，應(yīng)做好超前地質(zhì)預(yù)報、動態(tài)設(shè)計，及時對設(shè)計與施工方案進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，必要時可綜合考慮采用地表預(yù)加固或隧道內(nèi)注漿等必要手段，以保證車站結(jié)構(gòu)及旅客通道的正常安全運營。